JP4189218B2

JP4189218B2 - 血管樹内の血液の流れを画像化する方法

Info

Publication number: JP4189218B2
Application number: JP2002556846A
Authority: JP
Inventors: ミカエルグラス; シュミットホルゲル; ヴォルカーラスチェ
Original assignee: Koninklijke Philips NV; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2001-01-09
Filing date: 2001-12-21
Publication date: 2008-12-03
Anticipated expiration: 2021-12-21
Also published as: EP1352365A1; JP2004517667A; US20030040669A1; WO2002056260A1; DE10100572A1; US6823204B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、検査すべき対象物の血管樹(vascular tree)内の血液の流れを画像化する方法、及びこのような方法を実行するためのＸ線装置にも関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヨーロッパ特許公開公報EP 860 696 A2は、血管樹が造影剤で満たされた検査すべき対象物の一連のＸ線投影画像を異なる投影方向から形成することを説明している。この血管樹の空間における再現を含む３次元画像は、前記（２次元の）Ｘ線投影画像から、既知の再現アルゴリズムによって得られる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、脳の血管樹の病状を解析するような様々な応用に対し、この血管樹の画像に加えて、他の情報が必要とされる。従って、本発明の目的は、追加の情報を提供することであり、上記方法を実行するためのＸ線装置を提供することでもある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本目的は、本発明に従い、検査すべき対象物の血管樹内の血液の流れを画像化する方法によって達成される。この方法は、
ａ）異なる投影方向から、検査すべき対象物の一連のＸ線投影画像を形成するステップ、
ｂ）前記Ｘ線投影画像から、血管樹の画像を含む３次元投影画像を再現するステップ、
ｃ）３次元画像における空間的にコヒーレントなボクセル(voxel)から一連のクラスタを決めるステップであって、血液が流れる方向によって規定される少なくとも１つのクラスタは、血管樹の開始クラスタから決められ、そのクラスタ自身は、このシーケンスにおいて少なくとも１つの次のクラスタを形成するための開始ポイントとして働き、前記ボクセルの少なくとも幾つかは、開始クラスタ及び次のクラスタのボクセルに隣接し、このシーケンスの新しいクラスタ各々に対し、後続するクラスタが決められる、一連のクラスタを決めるステップ、
を含んでいる。
【０００５】
血管樹内の血液が流れる方向における次のクラスタは、既定のボクセル又はクラスタ（開始クラスタ）から決められるので、血管樹における造影剤又は血液の流れの伝搬の痕跡を検査員に示す追加の情報が得られる。請求項２に従って、決められたクラスタのシーケンスは、例えば異なる色でクラスタのシーケンスを再現すること、又は決められたクラスタのシーケンスに従って連続的に血管樹のクラスタを動的表示でハイライトを行うことによって画像内において認識可能にさせることができる。
【０００６】
血管樹のより完璧な解析がこれによって可能となったとしても、これらステップ単独では、血管樹の血液の流れの時間的推移に関する情報を得るには不十分である。先行する未公開のドイツ特許出願番号第10000185.8号（当方整理番号PHDE000001）において、造影剤の流入の異なる段階における血管樹を表す一連のＸ線投影画像から、血管樹内の造影剤の伝搬に関する情報を得ること、及び血管樹の様々な部分において（血液が流れる方向に見られるような造影剤の先頭部分である）いわゆる造影剤の塊が到達する時間を決めることを目的とする。
【０００７】
例えば、到達時間の不正確な決定又は投影画像において血管が重複している事実によって起こる問題は、請求項３に従い、得られた時間情報が血管樹のクラスタに関する情報と結合されることで解決可能である。追加の利点は、到達時間が個々のボクセルに対し決められるのではなく、通常は多数のボクセルからなるクラスタに対し決められるという事実である。このとき、Ｘ線投影画像におけるノイズが到達時間の決定にはそれほど影響しない。
【０００８】
得られた時間情報と血管樹のクラスタに関する情報とは、色々なやり方で結合することが可能である。例えば、あるクラスタがシーケンス内において当該クラスタより前にあるクラスタよりも早い到達時間は持つことはないので、造影剤の塊に対し決められる到達時間の訂正は、このもっともらしい規準を用いて既に可能である。しかしながら、上記不正確さは、請求項４に従ってフィルタリングすることによっても訂正可能である。
【０００９】
請求項５に記載のバージョンは、投影画像において重複するクラスタに正確な到達時間を割り当てることを可能にする。
【００１０】
これによって決められた到達時間が、血管樹の血管の中心線の方向に微分されるとき、血管樹の３次元画像内にも（例えばカラーで）再現される速度情報が得られる。このような情報は、例えば血管の半径と一緒に追加の分析を可能にする。例えば、任意のクラスタにおいて血液の流れが速く、血管の直径が小さいことが狭窄症(stenosis)を示してもよい。
【００１１】
血管樹の３次元画像が再現されるのと同じＸ線投影画像のシーケンスから、血液の流れの時間における推移に関する情報を得ることが原則として可能であり、このことは患者への放射線の量が増大しないという利点を有する。しかしながら、この場合、造影剤の流入は必要とされる精度では追跡できない。この欠点は、空間情報及び時間情報を抽出するための２シーケンスのＸ線投影画像が形成される請求項８に記載のバージョンを用いることで回避することが可能である。
【００１２】
血管樹に加えて、例えば評価の妨げとなる骨のような他の構造もまた、Ｘ線投影画像のシーケンスから得られる３次元画像において再現されてしまう。この欠点は、血管樹が分割された請求項９に記載のバージョンを用いることで回避することが可能である。最も簡単な場合、この分割は、３次元画像において既定値よりも下にある全てのボクセルが血管樹に割り当てられ、他のボクセルの全ての再現が抑えられてしまうことである。
【００１３】
本発明に従う方法を実行するＸ線装置は、請求項１０に記載されている。造影剤が流入する様々な相を表すＸ線投影画像のシーケンスの取得中に、血管樹の一部が投影方向に延在するとき、血管樹の上記部分の正確な解析は不可能である。この欠点は、好ましくは互いに９０°のオフセットである投影方向を持つ２つのＸ線システムを使用する請求項１１に従って回避することが可能である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明は、図を参照して以下に詳細に説明される。
【００１５】
図１は、テーブル４の上に置かれた患者のような検査すべき対象物３の２次元Ｘ線画像又はＸ線投影画像の形成に利用するＸ線装置を示す。このＸ線装置は、一部だけが示されたスタンド１１に取り付けられるＣ型アーム１０上において互いに向き合うように取り付けられたＸ線源１２及びＸ線検出器１３を含んでいる。このＣ型アームは、一方は水平軸の周りを旋回可能であるのに対し、他方はモータードライブを用いて、このＣ型アームの中心の周りを１８０°にわたり双方向矢印２０の方向に回転可能である。この動きがＸ線システム１２、１３の異なる再現可能な投影方向ｒ₁、ｒ₂、ｒ₃から、検査すべき対象物３を表す多数のＸ線画像の形成を可能にする。
【００１６】
取り付け装置１１'に取り付けられ、固定されたＸ線位置ｒ'₄から、検査すべき対象物３の投影画像を形成することが可能である第２のＸ線源１２'及び第２のＸ線検出器１３'も設けられている。Ｘ線検出器１３、１３'の各々は、メモリ１５に記憶されるように、出力信号がアナログ−デジタル変換器１４によってデジタル化されるテレビジョンチェーンを接続したＸ線増強装置によって形成されてもよい。
【００１７】
画像化ユニット１２、１３によって、（位置ｒ₁,ｒ₂,ｒ₃だけが当該図に明瞭に示される）別個の位置ｒ₁,…ｒ_i,…ｒ_nから取得されるＸ線投影画像Ｄ₁…Ｄ_i…Ｄ_mは、モニター１８上において個々に又は一連の画像として表示されるように、画像処理ユニット１６によって処理される。造影剤が流入している間の離散的瞬間に、画像化ユニット１２'、１３'によって固定されたＸ線位置ｒ'₄から取得されるＸ線投影画像Ｅ₀,Ｅ₁,Ｅ₂…Ｅ_nは、モニター１８上に表示されるように、画像処理ユニット１６でも処理することが可能である。Ｘ線装置の個々の成分は、制御ユニット１７によって制御される。
【００１８】
Ｘ線投影画像を入力し、前記造影剤の時間的及び空間的な推移の再現に必要とされる情報をこの画像から得る演算装置１９も設けられる。この情報は再びモニター１８上に表示される。
【００１９】
本発明は、図２に示されるフローチャートを参照して以下により詳細に説明される。初期化後（ステップ１０１）に、Ｘ線投影画像Ｄ₁…Ｄ_i…Ｄ_mの（最初の）シーケンスは、血管樹が造影剤で満たされている間、異なる投影方向で取得される（ステップ１０２）。その後、ステップ１０３において、３次元画像が（２次元の）Ｘ線投影画像のシーケンスから再現される。この点において、Ｘ線源１２及びＸ線検出器１３の位置及び向きは、（例えば先出の較正測定に基づいて）各投影画像に対し正確に知られていると仮定される。
【００２０】
この再現された３次元画像は、（造影剤で満たされた）血管樹を示すだけでなく、例えば骨のような他の組織も示す。これにより、ステップ１０４において、この３次元画像は、この画像が血管樹だけを示すのに対し、全ての他の組織が表示されないように分割される。最も簡単な場合、このような分割は、相対的に高い吸収値を持つ全てのボクセルを血管樹に割り当て、全ての他のボクセルの再現を抑えるしきい値の操作として実行される。更に正確な分割を行うが、通常は更に多くの計算の労力が必要となる別の分割方法（例えば、ライン形状構造を検出可能な方法）が代わりに使用されてもよい。
【００２１】
ステップ１０５において、開始ボクセル（又はコヒーレントボクセルの集合）が、好ましくは血管樹の再現された領域に造影剤が入っている血管樹のエリアに選択される。このような選択は、ユーザとの対話形式で実行可能であるが、自動的に実行可能でもある。
【００２２】
前記開始ボクセルから生じる場合、血管樹は、ステップ１０６において、以下においてクラスタと呼ばれる区域（セクション）に細分化される。各クラスタは、先行するクラスタのボクセルに隣接する血管樹のボクセルを有する。この手順は、血管樹Ｖの一部の簡略化された概略表示である図３を参照して詳細に説明される。ここで各ボクセルは正方形で表される。開始クラスタ１は単一のボクセルからなり、参照符号Ｃ１で示される。
【００２３】
次のクラスタＣ２は、先行するクラスタ（この場合開始クラスタＣ１）のボクセルに隣接し、前記血管樹に帰属するボクセルによって形成される。２次元の場合、８個のボクセルまでが隣接するのに対し、３次元の場合、２６個ものボクセルが単一のボクセルに隣接する。図３に従って２個のボクセルがクラスタＣ１に帰属している。血管樹Ｖにおいて、これらボクセルは、次のクラスタＣ３を形成する４つのボクセルによって隣接されている。前記ボクセルＣ１もこのクラスタのボクセルに隣接していたとしても、既に先行するクラスタ世代に帰属しているので、新しいクラスタには追加されない。血管樹ＶにあるクラスタＣ３の４つのボクセルは再び、クラスタＣ４を形成する４つの隣接するボクセルを持つ。これらボクセルの１つは、血管樹Ｖの２つの分岐Ｖ_a及びＶ_bの一方に存在する。
【００２４】
クラスタＣ４のボクセルは、血管樹の分岐Ｖ_a及びＶ_bにある２つのボクセルＣ５_a及びＣ５_bと隣接している。先行するクラスタに対して、このクラスタ世代のボクセルは、空間的にコヒーレントではない。従って、これらボクセルが同じクラスタ世代に帰属していたとしても、これらは別々のクラスタを形成する。その後、ボクセルＣ６_bが（分岐Ｖ_bにおける）シーケンスの次のクラスタと決められる。従って、全体の血管樹は、ステップ１０６において隣接するクラスタのシーケンスに細分化される。
【００２５】
この細分化は単独で、例えば、１つ以上の２次元画像において異なる色の濃淡で様々なクラスタ世代を再現するために、ステップ１０７において使用される血管中の構造への良好な洞察を提供する。この方法は、その後終了する（ステップ１０８）。
【００２６】
しかしながら、ステップ１０７において、これらクラスタの世代のシーケンスを再現する代わりに、クラスタの形成において含まれる情報が、造影剤を流入することから得られる時間情報と結合される。これは、図４に示されるフローチャートを参照して以下により詳細に説明される。ステップ２０１で初期化した後、ステップ２０２において、投影画像の（第２の）シーケンスＥ₀,Ｅ₁,Ｅ₂…Ｅ_j…Ｅ_n（図１）は、例えばＸ線システム１２'、１３'を用いて、固定される投影方向から形成される。第１のシーケンスにとって、血管樹が全ての投影方向からの造影剤で満たされる間に、この血管樹が再現されることが重要である一方、第２のシーケンスにとって、時間に関してこの血管樹への流入を追跡することが重要であるために、第２のシーケンスは、例えば第１のシーケンスの後に、この第１のシーケンスから時間的に離れて有利に取得される。この場合において、このための第２のＸ線システム１２'及び１３'を供給する必要は無い、つまり、第２のシーケンスは、（単一の）Ｘ線システム１２'及び１３'を用いても取得され得る。
【００２７】
この第２のシーケンスを取得するために、投影方向は、血管樹の分岐ができる限り少ししか重複しないように選択されるべきである。この血管樹が投影される面は、この投影方向にとって最大となる。この投影方向は、３次元画像を使用する間、（３次元のデータセットにより特長付けられる）血管樹が所与の方向に投影されるときに起こるであろう投影画像を計算することで決められる。
【００２８】
しかしながら、最も起こり得る投影方向が選択されたときでさえも、血管樹の一部がこの投影方向に延在することが依然として起こるので、この部分の造影剤の伝搬は追跡できない。この欠点は、Ｘ線システム１２、１３を用いて、第１の投影方向に垂直に延在する第２の方向から画像を同時に形成することによって回避される。この他の投影方向は、図１のＸ線源１２の位置ｒ₂によって特長付けられる。
【００２９】
造影剤が流入する間に、前記方法のこのステップを用いて取得される投影画像の数が時間の分解能を決定する。これは、造影剤の塊のそれぞれの到達時間が投影画像の数に対応することを意味する。この数がクラスタ世代の数よりもかなり小さいとき、複数のクラスタからそれぞれ延在したクラスタを形成することが有利となる。単一のボクセルに対する代わりに、（延在した）クラスタに対する造影剤の塊の到達時間を決めることは、必要な計算の労力の減少となるだけでなく、このとき決められる到達時間がノイズに左右され難くする利点も提供する。
【００３０】
後続するステップ２０３の間に、２次元投影画像のどのボクセルが、おそらくは延在されるクラスタの投影によって常に覆われているかを検査する。このために、ステップ１０６に決められるような、３次元の血管樹のクラスタＣ(x,y,z)の位置Ｃ(u,v)は、２次元の投影画像、すなわち、第２のシーケンスの取得中にシステム１２'／１３'の投影の幾何学的形態及び３次元画像の再現から生じるシステムに関する血管樹の位置に基づいて計算される（ステップ２０３）。
【００３１】
（クラスタの投影の表面エリアＣ(u,v)にわたり平均化される）輝度値の時間における変化は、次にステップ２０４において、各クラスタに対し決められる。図５は、クラスタに対し空間的に平均化された輝度の時間変化を示す。同じ名前を持つクラスタに対する輝度曲線Ｃ_iは、流入する前に輝度が最大値から最小値へ減少し、造影剤が流出した後、再び著しく増大することが明らかになる。輝度曲線Ｃ_iの変化が最も大きい瞬間Ｔ_iは、関連するクラスタにおける造影剤の塊の到達時間Ｔ_c(u,v)として（ステップ２０４において再び）評価される。
【００３２】
後続するステップ２０５の間、決められた到達時間は、血管樹の３次元画像に割り当てられる。関連するクラスタが他のクラスタで隠されないとき、上記割り当ては簡単で、明らかである。２つ以上のクラスタが投影画像において重複するとき、割り当ては更に複雑になる。図６はこのような場合を示している、つまり、クラスタＣ_j及びＣ_kが互いに重複しているクラスタに細分化される血管樹Ｖの血管の一部を示す。関連する輝度変化は、図５の曲線Ｃ_jkにより表される。輝度が最初に減少し、その後、１回目の到達Ｔ_jが時間における最大の減少の領域に起こることが明らかである。続いて、再び輝度が増大し、その後一度減少して、２回目の到達Ｔ_kとなる。このようにして決められる２度の到達は、血管樹Ｖにおけるクラスタ世代の知識に基づいて、これら２つのクラスタＣ_j及びＣ_kに正確に割り当てられる。
【００３３】
到達時間が各クラスタに割り当てられる場合、連続するクラスタは同じ到達時間を持つべきである。しかしながら、実際には、この到達時間がシーケンスにおいて隣接するクラスタの到達時間とは互換性が無い"アウトライアー(outliers)" は数パーセントである。この点に関する実施例は、（関連するユニットにおける）各クラスタに対し決められた到達時間がプロットされた図７に示される。二股分岐の領域に２つのアウトライアーがあることが明らかである。
【００３４】
これらアウトライアーは、ステップ２０６において、例えばクラスタのシーケンスに割り当てられた到達時間のシーケンスにわたり中央フィルタリングによって削除される。５つの値それぞれのフィルタ核が（核の大きさが、依然として訂正され得る連続するアウトライアーの数を決める）中央フィルタリングに使用されるとき、上記アウトライアーは削除され得る。到達時間Ｔ＝１７を持つクラスタに対しては、（分岐より後に置かれ、同じクラスタ世代に帰属するクラスタの到達時間が平均化されると仮定する）例えば、５、６、１７、１２、（６＋６）／２の値が存在する。これら値が大きい順に並べられるとき、値Ｔ＝６は、関連するクラスタの中央値として得られる。到達時間Ｔ＝１２が決められたクラスタに対し、隣接するクラスタの到達時間が、アウトライアーＴ＝１２を置き換える中央値６を再び生じさせるシーケンス６、１７、１２（６＋６）／２、（６＋３）／２を生成する。
【００３５】
造影剤の流入がステップ２０７で視覚化されることができる。例えば、異なる到達時間が、血管樹の３次元画像におけるクラスタの異なる色影で表されることができる。この静止的な表示の代わりに、動的な表示とすることも可能である。例えば、ステップ２０２で投影画像が取得された時間に対して、その時間にすでに造影剤の塊が通過済みのクラスタが、適切な態様で強調される。この処理がすべての時間に対して行われると、造影剤の流入又は血液の流れの動的な表示が得られる。
【００３６】
表示するための他の可能性も存在している。例えば、血管樹内の造影剤又は血液の伝搬速度が決められ、血管の中心線に沿って到達時間の差を色で再現される。この速度情報が関連するエリアの次元に関する情報に追加されるとき、追加の情報が供給される。例えば、血液の流れが速いことが小さな血管の直径と組み合わせて狭窄症であること示してもよい。
【００３７】
本方法は、この評価に続いて終了する（２０８）。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従う方法を実行するＸ線装置の概略的表示である。
【図２】本発明に従う方法のフローチャートを示す。
【図３】連続するクラスタの決定を示す。
【図４】時間情報の追加の評価を可能にするフローチャートを示す。
【図５】様々なクラスタにおける輝度の時間的変化を示す。
【図６】血管樹の重複部分を示す。
【図７】血管樹の一部の連続するクラスタに対し決められる到達時間を示す。

Claims

制御手段が X 線装置の各部を制御して、検査すべき対象物の血管樹内の血液の流れを画像化する方法において、
ａ）異なる投影方向から、検査すべき前記対象物の一連のＸ線投影画像を形成するステップ、
ｂ）Ｘ線投影画像から、前記血管樹の画像を含む３次元画像を再現するステップ、及び
ｃ）前記３次元画像における空間的にコヒーレントなボクセルからクラスタのシーケンスを決めるステップであって、前記血液が流れる方向によって規定される少なくとも１つのクラスタは、前記血管樹の開始クラスタから決められ、前記開始クラスタ自身は、前記シーケンスにおいて少なくとも１つの次のクラスタを決めるための開始点として働き、前記クラスタのボクセルの少なくとも幾つかは、前記開始クラスタ及び前記次のクラスタのボクセルに隣接し、前記シーケンスの新しいクラスタ各々に対し、後続するクラスタが決められる、クラスタのシーケンスを決めるステップ、
を含む方法であって、
−造影剤の流入の異なる段階における前記血管樹を再現する一連のＸ線投影画像を形成するステップ、
−前記クラスタのボクセルが投影された前記Ｘ線投影画像内のエリアを決めるステップ、
−造影剤の塊の到達時間を前記３次元画像内の前記クラスタに割り当てるステップであって、前記到達時間が、前記Ｘ線投影画像におけるグレイ値の時間における変化に基づき、前記エリアに対して決められる、ステップ、及び
−前記決められたクラスタのシーケンスに依存して前記到達時間を変更するステップ、
を含む方法。
請求項１に記載の方法において、前記クラスタは、前記決められたクラスタのシーケンスが認識され得るように表示ユニットに表示されることを特徴とする方法。
請求項１に記載の方法において、前記決められたクラスタのシーケンスの到達時間が、変更を目的とする中央フィルタリングに従う方法。
請求項１に記載の方法において、前記Ｘ線投影画像におけるクラスタが重複して投影され、当該投影において造影剤の塊が多重に到達する場合、前記到達時間は、前記血管樹の個々に隣接するクラスタ毎に決められる到達時間に依存して前記３次元画像における関連するクラスタに割り当てられる方法。
請求項１に記載の方法において、速度情報は、前記血管樹の前記クラスタに対し決められた前記到達時間から得られることを特徴とする方法。
請求項１に記載の方法において、造影剤の流入の異なる段階における前記血管樹を再現する少なくとも１シーケンスのＸ線投影画像は、固定された投影方向から形成される方法。
請求項６に記載の方法において、前記一連のＸ線投影画像は、前記血管樹により覆われる表面エリアが最大値を持つ投影方向から形成されることを特徴とする方法。
請求項１に記載の方法において、前記クラスタの決定より先に、前記３次元画像は、本質的に血管システムだけが前記画像に再現されるように分割されることを特徴とする方法。
請求項１に記載の方法を実行するＸ線装置であって、
−異なる投影方向から、検査すべき前記対象物の一連のＸ線投影画像を形成するＸ線源及びＸ線検出器を備える画像化ユニット、及び
−前記Ｘ線投影画像から、前記血管樹の表現を含む３次元画像を再現し、前記３次元画像における空間的にコヒーレントなボクセルからクラスタのシーケンスを決める演算装置であって、前記血液が流れる方向によって規定される少なくとも１つのクラスタは、前記血管樹の開始クラスタから決められ、前記開始クラスタ自身は、前記シーケンスにおいて少なくとも１つの次のクラスタを決めるための開始ポイントとして働き、前記クラスタのボクセルの少なくとも幾つかは、前記開始クラスタ及び前記次のクラスタのボクセルに隣接し、前記シーケンスの新しいクラスタ各々に対し、後続するクラスタを決める演算装置、
を含むＸ線装置であって、
造影剤の流入の異なる段階における前記血管樹を再現する一連のＸ線投影画像を形成する手段と、
前記クラスタのボクセルが投影された前記Ｘ線投影画像内のエリアを決める手段と、
造影剤の塊の到達時間を前記３次元画像内の前記クラスタに割り当てる手段であって、前記到達時間が、前記Ｘ線投影画像におけるグレイ値の時間における変化に基づき、前記エリアに対して決められる、手段、及び
前記決められたクラスタのシーケンスに依存して前記到達時間を変更する手段、
を含むＸ線装置。
請求項９に記載のＸ線装置において、前記画像化ユニットは、第１の投影方向から一連の２次元Ｘ線画像を取得する第１のＸ線源及び第１のＸ線検出器と、前記第１の投影方向に対し好ましくは９０°の角度を囲む第２の投影方向から、一連の２次元Ｘ線画像を同時に取得する第２のＸ線源及び第２のＸ線検出器とを含むことを特徴とするＸ線装置。